泡沫渣技術是超高功率電爐煉鋼的核心工藝，對提升熱效率、保護爐襯及優化鋼水質量至關重要。以生物質炭為研究對象，系統分析了其作為發泡劑的性能及影響因素，并與傳統化石類發泡劑(焦炭、石墨、無煙煤)進行對比。試驗選用廢木塊炭、玉米秸稈炭、廢竹子炭及工業木炭，結合化學配制的電爐渣，通過高溫發泡試驗與綜合發泡指數(K)評價其發泡能力。結果表明，廢木塊炭因固定碳高、灰分低，展現出最優綜合性能；玉米秸稈炭因灰分高及堿金屬含量過高，顯著降低爐渣黏度，導致發泡面積和持續時間均最差；廢竹子炭雖固定碳最高，但灰分中高鉀元素加劇了泡沫穩定性劣化，綜合性能次于廢木塊炭。與化石類發泡劑相比，石墨的最大發泡面積和綜合發泡指數最高，但工業木炭憑借較長的發泡時間和低碳環保特性，展現出替代潛力。研究進一步揭示了爐渣堿度、黏度及表面張力對發泡性能的協同影響，指出生物質炭灰分中的堿金屬(如鉀、鈉)通過破壞硅氧網絡降低黏度，但過量會縮短泡沫壽命。下面一起來了解下表面張力調控在生物質炭在電弧爐泡沫渣技術中的核心作用。

一、表面張力：泡沫渣穩定性的決定性因素

在電弧爐煉鋼過程中，泡沫渣的形成與穩定性直接取決于熔渣的表面張力特性。表面張力是決定氣泡能否在熔渣中穩定存在、延長泡沫壽命的關鍵物理參數。研究表明，表面張力越低，氣泡越容易形成且更穩定，泡沫渣的厚度與持續時間也隨之增加。

泡沫渣的本質是氣體以微米級氣泡形式分散于熔渣基質中，氣泡總體積可達熔渣體積的2~3倍。其形成依賴兩大核心機制：內部條件上，熔渣需具備特定黏度及表面活性物質，通過降低液膜表面張力增強氣泡穩定性；外部條件上，碳氧反應及噴吹碳粉提供持續氣體供給，使氣泡在渣層中形成動態平衡。

表面張力直接決定氣泡生成與穩定性，低表面張力有利于氣泡擴展和穩定。這可通過含FeO、MnO、P?O?等表面活性物質的添加實現，而CaO、MgO等堿性氧化物會增強離子鍵強度，導致表面張力升高。

二、熔渣表面張力的調控機制

熔渣表面張力受多種因素影響，形成復雜的調控網絡：

1.表面活性物質的添加：SiO?和P?O?是典型的表面活性物質，能降低熔渣表面張力。當兩者同時存在時，效果最佳——SiO?增加薄膜粘性，P?O?增加薄膜彈性，共同阻礙小氣泡的聚合和破裂。

2.熔渣成分與堿度：堿度過高會降低聚合度，導致表面張力升高；堿度過低則因高黏度阻礙氣泡生成，同樣不利于泡沫穩定。研究表明，渣中MgO·SiO?和2CaO·SiO?等復合礦物質量分數大于15%時，氣泡壽命可延長至15 min以上，形成厚度達1.5~2.0 m的穩定泡沫層。

3.氣泡穩定性與表面張力：表面張力降低使氣泡膜更柔軟，不易破裂。當表面張力降低至臨界值以下，氣泡能在熔渣中穩定存在更長時間，從而形成更厚的泡沫層。

三、生物質炭對熔渣表面張力的調控機制

生物質炭作為新型發泡劑，其核心優勢在于能有效調控熔渣表面張力，從而延長泡沫壽命。研究顯示，當與電弧爐渣一起發泡時，生物炭的多孔結構使得爐渣粘度更加恒定在0.30-0.32 Pa·s，表面張力降低速度減慢，有效延長了發泡時間，穩定了發泡性能。

生物質炭對熔渣表面張力的調控機制主要體現在：

1.表面官能團作用：生物質炭表面含有大量含氧酸性官能團（如-COOH、C=O、-OH）和堿性官能團（如-NH?）。這些官能團可與熔渣中的FeO、MnO等活性物質發生相互作用，降低液膜表面張力。

2.多孔結構效應：生物質炭的高孔隙率（可達80%以上）使其在高溫下能緩慢釋放氣體，避免表面張力驟變，使表面張力降低過程更加平緩。

3.灰分影響：生物質炭灰分中的堿金屬（如K、Na）會破壞硅氧網絡結構，降低熔渣黏度，但過量會縮短泡沫壽命。廢竹子炭因灰分中高鉀元素導致爐渣黏度降低，表面張力變化過快，發泡持續時間縮短至60 s。

四、生物質炭類型與表面張力調控能力對比

不同生物質炭的表面張力調控能力差異顯著，直接影響其作為發泡劑的性能：

從數據可見，廢木塊炭和工業木炭因固定碳高、灰分低，表面張力調控能力優秀，發泡持續時間長，綜合性能突出。廢竹子炭雖固定碳最高，但灰分中高鉀元素導致表面張力變化過快，泡沫穩定性下降。

五、表面張力與泡沫渣性能的定量關系

研究建立了表面張力與泡沫渣性能的定量關系模型：

實驗數據表明，當表面張力降低10%時，泡沫壽命可延長35%；當表面張力降低15%時，泡沫壽命可延長55%。這說明表面張力是泡沫渣穩定性的關鍵控制參數。

六、表面張力調控的工程實踐與優化路徑

基于表面張力調控的工程實踐已取得顯著成效：

1.原料優化：篩選固定碳高（＞75%）、灰分低（＜5%）的生物質炭，如廢木塊炭，可有效降低表面張力，延長泡沫壽命。

2.復合添加劑：添加CaF?（質量分數5-8%）可降低爐渣表面張力10-15%，同時降低黏度15-20%，延長氣泡壽命至120 s。

3.智能調控系統：集成聲波監測（頻率范圍2-20 kHz）與機器學習模型，實時監測表面張力變化，動態調整發泡劑添加量，將表面張力控制在最佳范圍（1.2-1.5 N/m）。

在河北某鋼廠的中試驗證中，采用廢木塊炭+CaF?復合發泡劑（配比7:3），表面張力降低12%，泡沫壽命延長至115 s，噸鋼電耗降低12.3%，爐襯壽命延長25%。

七、表面張力調控的未來研究方向

1.微觀界面反應機理：開展原位X射線斷層掃描（分辨率＜1μm），揭示氣泡與熔渣界面的表面張力動態變化規律。

2.生物質炭表面改性：通過表面功能化處理，增強生物質炭表面的含氧官能團密度，進一步提高其降低表面張力的能力。

3.多因素協同調控：建立表面張力-黏度-堿度的多參數協同調控模型，實現泡沫渣性能的精準控制。

4.高鈦型爐渣適應性：針對高鈦型爐渣中TiO?易與K、Na形成低熔點共晶體的問題，研究表面張力在鈦基熔渣中的調控規律。

八、表面張力調控的"雙碳"戰略價值

表面張力調控不僅提升工藝性能，更具有顯著的"雙碳"戰略價值：

1.碳減排：生物質炭的碳中性特性使每噸替代焦炭可減少CO?排放1.2 t，相當于降低噸鋼碳排放強度18%。

2.能源節約：通過表面張力優化，泡沫渣厚度增加，電弧熱效率從30%提升至70%，噸鋼電耗降低10-15 kW·h。

3.資源循環：生物質炭來源于農業廢棄物，實現"變廢為寶"，固廢消納率大于90%，形成"綠色冶金-節能降耗"雙重效益。

4.碳交易價值：每噸CO?當量減排成本達50-80元，采用生物質炭發泡技術使電爐煉鋼碳排放強度降低25-30%，對應每噸鋼碳交易收益達150-200元。

結語

表面張力是泡沫渣技術的核心控制參數，生物質炭通過其獨特的表面特性與多孔結構，有效調控熔渣表面張力，延長泡沫壽命，提升電弧爐煉鋼效率。研究表明，生物質炭灰分中的堿金屬（如鉀、鈉）通過破壞硅氧網絡降低黏度，但過量會加速表面張力變化，縮短泡沫壽命。

未來，表面張力調控將成為電弧爐煉鋼綠色化、低碳化發展的核心方向。通過精確控制表面張力，結合生物質炭的碳中性優勢，電弧爐煉鋼將實現"雙碳"目標與經濟效益的雙重提升，為鋼鐵工業的可持續發展提供關鍵支撐。